KR101193653B1 - 단결정 성장방법 - Google Patents

Abstract

실시예는 단결정 성장방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 성장방법은 실리콘 융액(melt)을 형성하는 단계 및 상기 실리콘 융액에 실리콘보다 융점이 낮은 도펀트를 주입하는 단계를 포함하는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 도펀트가 주입된 실리콘 융액에 대해 숄더공정을 진행함에 있어서, 성장되는 단결정의 숄더 성장속도에 대한 가속도가 일정하도록 제어될 수 있다.

Description

단결정 성장방법{Method for Manufacturing Single Crystal}

실시예는 단결정 성장방법에 관한 것이다.

실리콘 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법 또는 플로팅 존(floating zone, FZ) 법이 적용될 수 있다.

일반적으로, 반도체소자용 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 적절한 비저항 값을 갖기 위하여, 실리콘 단결정의 성장 공정에서 P-type 또는 N-type의 도펀트(dopant)가 첨가된다.

또한, P-type 또는 N-type의 도펀트는 융점이 실리콘의 융점보다 높은 고융점 도펀트와 융점이 실리콘의 융점보다 낮은 저융점 도펀트로 구분되는데, 도펀트의 종류에 따라서 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 방식이 다르다.

대표적인 P-type 고융점 도펀트로는 붕소(B)를 들 수 있는데, 그 융점이 약 2180℃로 실리콘의 융점인 1412℃보다 높으므로 실리콘 단결정 성장 준비 단계인 다결정 실리콘을 석영도가니에 적재하는 단계에서 석영도가니 바닥에 다결정 실리콘과 함께 투입하여 용융시킴으로써 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 것이 가능하다.

한편, 실리콘에 비해 낮은 융점을 갖는 고휘발성의 저융점 도펀트로는 안티모니(Sb), 적인(Red Phosphorus), 게르마늄(Ge), 비소(As) 등을 들 수 있는데, 이러한 저융점 도펀트들은 낮은 융점으로 인하여 단결정 성장 공정 중 최초 다결정 실리콘의 용융 단계에서 다결정 실리콘이 완전히 융해되기 전에 용융, 기화된다.

한편, 고휘발성의 저융점 도펀트가 주입된 단결정을 성장시키기 위해서는 각 공정에 맞는 온도제어가 필수적이다.

종래기술에 의하면 단결정성장은 응고계면을 제어함으로써, 단결정 득률(%)를 높여 왔다. 그러나, 고휘발성의 저융점 도펀트가 투입된 조건이면 이러한 일반적인 응고계면 제어뿐만 아니라, 고휘발성의 저융점 도펀트에 의한 기화열 때문에 응고계면 높이가 변하게 되므로 이를 고려한 응고계면 제어가 필요하게 된다.

실시예는 고휘발성의 저융점 도펀트의 주입에 따른 응고계면을 제어할 수 있는 단결정 성장방법을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 단결정 성장방법은 실리콘 융액(melt)을 형성하는 단계 및 상기 실리콘 융액에 실리콘보다 융점이 낮은 도펀트를 주입하는 단계를 포함하는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 도펀트가 주입된 실리콘 융액에 대해 숄더공정을 진행함에 있어서, 성장되는 단결정의 숄더 성장속도에 대한 가속도가 일정하도록 제어될 수 있다.

실시예에 의하면 고휘발성의 저융점 도펀트의 주입에 따른 응고계면의 제어를 단결정 성장의 각 공정 중 온도적인 측면 또는 단결정 성장 속도적인 측면에서 제어할 수 있는 단결정 성장방법을 제공할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 단결정 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치의 예시도.
도 2은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 실리콘 융액 표면의 온도 구배에 대한 예시도.
도 3은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 실리콘 융액의 밀도차이 예시도.
도 4는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 실리콘 융액의 기화열 차이 예시도.
도 5는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 공정시 온도 구배에 대한 예시도.
도 6은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 후반 공정시 온도 구배에 대한 예시도.
도 7은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 공정시 히터와의 거리에 따른 기화열 차이 예시도.
도 8은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 네킹 공정시 온도 제어 예시도.
도 9는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 공정시 온도 제어 예시도.
도 10은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 바디 공정시 온도 구배에 대한 예시도.
도 11은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 바디 공정시 온도 제어 예시도.
도 12은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 속도 제어 예시도.

이하, 실시예에 따른 단결정 성장방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

(실시예)

도 1은 실시예에 따른 단결정 제조방법이 적용되는 단결정 성장장치의 예시도이다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130), 인상수단(150) 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 실리콘 융액을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130) 및 종자결정(152)이 일단에 결합된 인상수단(150)을 포함할 수 있다.

상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.

상기 챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(140)가 설치될 수 있다.

실시예는 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 등을 주입하여 하부로 배출할 수 있다.

상기 도가니(120)는 실리콘 융액(SM)을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(125)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대(125)는 회전축(127) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(127)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.

상기 히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(130)는 도가니 지지대(125)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들게 된다.

실시예는 실리콘 단결정 잉곳(200) 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)(152)을 실리콘 융액(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.

이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정(152)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.

도 2은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 실리콘 융액 표면의 온도 구배에 대한 예시도이다.

실시예는 고휘발성의 저융점 도펀트의 주입에 따른 응고계면을 제어할 수 있는 단결정 성장방법을 제공하고자 한다.

실시예는 고휘발성의 저융점 도펀트가 실리콘 융액에 주입되는 실리콘 단결정 성장방법에 관한 것이다.

상기 도펀트는 소정의 도펀트 주입장치에 의해 도펀트 주입공정을 진행될 수 있으며, 실시예에서 도펀트는 안티모니(Sb), 적인(Red Phosphorus), 게르마늄(Ge), 비소(As) 등일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

이러한 도펀트는 저농도(제1 농도) 도펀트와 고농도(제2 농도) 도펀트로 구분될 수 있다.

예를 들어, 상기 저농도인 제1 농도는, 상기 제1 농도의 도펀트가 주입됨에 따라 실리콘 단결정의 비저항이 0.003Ωcm 미만이 되도록 하는 농도일 수 있으며,

상기 고농도인 제2 농도는, 상기 제2 농도의 도펀트가 주입됨에 따라 실리콘 단결정의 비저항이 0.003Ωcm 이상이 되도록 하는 농도일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 실리콘 융액의 밀도차이 예시도이고, 도 4는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 실리콘 융액의 기화열 차이 예시도이다.

실시예에 의하면 저농도일지라도 저항 수준을 볼 때 상당한 양의 도펀트가 투입되게 되는데 특히 숄더가 성장되는 실리콘 융액(SM) 표면의 경우 반지름(Radial)방향으로 P-type 도펀트, 예를 들어 보론에 비해 밀도차이가 크게 발생하고 이로 인해 실리콘 융액(SM) 표면의 온도차이가 더욱 극명하게 나타나게 된다.

예를 들어, 히터와 가까운 곳은 밀도가 실리콘 융액(SM)의 중간(50%)대비 상당히 낮고, 도펀트가 더 투입되는 고농도의 경우에는 더욱 심화한다. 이는 히터(130)와 가까운 곳일수록 휘발속도가 강해지는 원인이 된다.

따라서 반지름방향으로 확보되는 과냉 영역이 달라지고 이러한 과냉 영역 변화에 따른 숄더의 성장속도를 제어하는 것이 중요하다.

도 5는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 공정시 온도 구배에 대한 예시도이며, 도 6은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 후반 공정시 온도 구배에 대한 예시도이다.

도 7은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 공정시 히터와의 거리에 따른 기화열 차이 예시도이다.

도 5 내지 도 7에서 히터와의 거리(%)를 도 2와 달리 0~120%로 설정하였으나, 이는 도 2와 같이 히터와의 거리(%)에 대한 것으로 일측 히터로부터 타측 히터까지의 거리(%)를 0~120%로 설정한 것이다.

실시예는 실리콘 융액(SM) 중심(60%)의 경우 숄더(220)가 종자결정(152)으로부터 수평성장을 하면서 대기조건에서 휘발 되던 저융점 도펀트 분자들의 열에너지들이 일정두께와 면적을 갖는 숄더를 통해 열에너지를 방출하게 된다.

이로 인해 열에너지의 빈공간의 수가 감소하게 되고 대기로 방출되는 열에너지량은 감소하게 되어 실리콘 융액(SM)과 대기간이 열교환되는 열에너지가 적어져 온도측면으로 볼 때 대기에서 방출되었던 조건보다 상대적으로 하강하게 된다.

이로 인해 일정 숄더(220) 직경의 수준에서는 충분한 과냉각 영역이 확보되어 수평성장 속도가 보장받게 된다.

그런데, 히터(130)와 거리가 가까워지는 소정 직경인 경우에는 휘발속도가 급격히 상승하여 과냉영역 확보가 어렵게 된다. 따라서, 숄더의 수평성장 속도를 저농도 대비 많이 감소시켜야 한다. 이러한 속도의 감소는 온도의 조절로서 가능할 수 있다.

즉, 실시예는 고휘발성의 저융점 도펀트가 주입되지 않는 각 단결정 성장단계보다 상기 도펀트가 주입되는 단결정 성장단계의 각 단결정 성장단계의 온도가 낮게 진행됨으로써, 고휘발성의 저융점 도펀트의 주입에 따른 응고계면의 제어를 단결정 성장의 각 공정 중 온도적인 측면에서 제어할 수 있다.

실시예에서 상기 도펀트의 농도가 제1 농도(저농도)인 경우의 각 단결정 성장단계의 온도감소폭 보다, 상기 제1 농도(저농도)보다 높은 제2 농도(고농도)의 도펀트 농도를 가지는 경우의 각 단결정 성장단계의 온도 감소폭이 더 높을 수 있다.

도 8은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 네킹 공정시 온도 제어 예시도이다.

실시예는 상기 도펀트가 주입된 실리콘 융액(SM)에 대한 네킹공정에 있어서, 상기 도펀트가 주입되지 않는 네킹공정에 대한 온도의 약 5%~ 약 50%를 감소한 온도에서 상기 도펀트가 주입된 실리콘 용액에 대한 네킹공정을 진행할 수 있다.

실시예에서 네킹(Necking)의 경우 저농도와 고농도의 경우 온도를 감소시키는 %가 약 5% 내지 약 50% 이내일 수 있고, 고농도인 경우에 더 많은 온도가 감소하여야 한다. 이는 고농도의 경우 휘발성이 저농도에 비해 최대 50%까지 강하다는 의미와 상통한다. 일정 시간이 지나게 되면 저농도와 고농도의 온도차이는 점차 작아지게 되는데 그 이유는 과냉영역이 확보되기 때문이다.

도 9는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 공정시 온도 제어 예시도이다.

실시예에서 상기 도펀트가 주입된 실리콘 융액에 대한 숄더 공정에 있어서, 상기 도펀트가 주입되지 않는 숄더 공정에 대한 온도의 10%~50%를 감소한 온도에서 상기 도펀트가 주입된 실리콘 용액에 대한 숄더 공정을 진행할 수 있다.

예를 들어, 숄더의 경우 온도를 감소시키는 %는 직경 성장 기준으로 점점 더 %가 높아지게 된다. 이는 고휘발성일 경우 휘발에 의해 실리콘 융액표면과 실리콘 융액 표면 기준 일정 아래부분의 과냉각 영역 확보가 용이하지 않기 때문이다.

실시예에 의하면 고농도의 경우 적어도 10%이상 최소 50%이하로 저농도에 비해 고농도의 온도 감소해야 다결정화를 방지할 수 있다.

도 10은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 바디(230) 공정시 온도 구배에 대한 예시도이다.

도 10에서 P는 인상속도(Pulling Speed) 상승효과이며, Q는 실리콘 융액으로 부터의 기화열이며, R은 단결정(200)으로 부터의 응고열이고, S는 온도 제어에 따른 과냉각 영역을 의미할 수 있다.

고휘발성의 저융점 도펀트가 주입된 단결정을 성장시키기 위해서는 각 공정에 맞는 온도제어가 필수적이다. 실시예는 고휘발성의 도펀트가 실리콘과 함께 용융된 것을 단결정으로 성장시키는 것에 대한 내용이다.

일반적으로 단결정성장은 응고계면만 존재하고 이를 제어함으로써, 단결정 득률(%)를 높여 왔다. 그러나, 고휘발성의 도펀트가 투입된 조건이면 이러한 일반적인 응고계면 제어뿐만 아니라, 기화열에 의한 응고계면 높이가 함께 좌우되므로 더욱 확실한 응고계면 제어가 필요하게 된다. 따라서, 실시예는 이러한 제어를 온도적인 측면에서 각 공정별 적절한 온도 수준을 제시하고자 한다.

도 11은 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 바디 공정시 온도 제어 예시도이다.

한편, 바디(230)의 경우 일정한 과냉영역이 확보되면, 추가적인 온도 감소는 인상속도(Pulling Speed)를 상승시켜 과냉영역 확보가 어려워질 수 있으므로 과도한 온도 감소는 진행하지 않을 수 있다.

실시예의 바디 공정에서 추가적인 온도감소를 하는 경우, 고농도(제2 농도)의 경우 네킹(Necking), 숄더링(Shoulder)공정에서 충분히 과냉영역을 확보되었기 때문에 추가적인 온도 감소는 저농도(제1 농도)에 비해 60% 이상 적게 감소시켜야 득률(%)이 높아질 수 있다.

실시예에 따른 단결정 제조방법에 의하면, 저융점 도펀트의 도핑공정 조건을 조정함으로써 저융점 도펀트에 의한 실리콘 융액의 오염을 방지할 수 있다.

도 12은 실시예에 따른 단결정 제조방법 중 숄더공정에서 속도 제어 예시도이다.

도 12에서 좌측의 Y축은 숄더의 직경(diameter) 성장속도이며, 우측의 Y축은 인상속도를 나타낸다. 도 12에서 X축은 숄더 전체 공정시간을 100%로 하여 설정할 수 있으며, 도 12에서 숄더공정 전체시간을 약 100분으로 설정한 경우이나, 숄더 공정시간은 이에 한정되지 않으며, X축은 전체 숄더공정 100% 시간 중 해당되는 % 시간의 비율적인 시간을 나타내는 것이다.

실시예에 의하면 저농도와 비교해 볼 때 숄더 성장공정 전체 시간 중 약 40%경과 이후부터 숄더의 성장속도가 급격히 감소하도록 제어할 수 있다. 이를 통해 과냉각 영역이 확보되는 시간을 축적할 수 있으며, 이를 통해 오버숄더 진행 시 바디의 타겟(Target) 직경에 적합하도록 인상속도(Pulling Speed)를 유선성적으로 제어할 수 있다.

실시예는 고휘발성의 저융점 도판트가 투입되어 성장되는 단결정의 숄더 성장에 있어서 가속도 측면에서 가속도가 일정하도록 제어해야 다결정화 없이 성장이 가능하다. 성장속도 측면에서 균일하게 제어될 수 있도록 온도 및/또는 인상속도(P/S)제어를 통해 구현가능하다.

예를 들어, 도 12와 같이 속도와 가속도 제어를 통해 단결정의 숄더 성장을 제어하는 방법으로는 상기 기술한 온도제어의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.

예를 들어, 히터(130)와 거리가 가까워지는 소정 직경인 경우에는 휘발속도가 급격히 상승하여 과냉영역 확보가 어렵게 된다. 따라서, 숄더의 수평성장 속도를 저농도 대비 많이 감소시켜야 한다. 이러한 속도의 감소는 온도의 조절로서 가능할 수 있다.

즉, 실시예는 고휘발성의 저융점 도펀트가 주입되지 않는 각 단결정 성장단계보다 상기 도펀트가 주입되는 숄더 공정의 온도가 낮게 진행됨으로써, 고휘발성의 저융점 도펀트의 주입에 따른 응고계면의 제어를 단결정 성장의 숄더공정 중 온도적인 측면에서 제어할 수 있다.

실시예에서 상기 도펀트의 농도가 제1 농도(저농도)인 경우의 각 단결정 성장단계의 온도감소폭 보다, 상기 제1 농도(저농도)보다 높은 제2 농도(고농도)의 도펀트 농도를 가지는 경우의 각 단결정 성장단계의 온도 감소폭이 더 높을 수 있다.

예를 들어, 도 9는 실시예에 따른 단결정 제조방법에서 숄더 공정시 온도 제어 예시도이다.

실시예에서 상기 도펀트가 주입된 실리콘 융액에 대한 숄더 공정에 있어서, 상기 도펀트가 주입되지 않는 숄더 공정에 대한 온도의 10%~50%를 감소한 온도에서 상기 도펀트가 주입된 실리콘 용액에 대한 숄더 공정을 진행할 수 있다.

예를 들어, 숄더의 경우 온도를 감소시키는 %는 직경 성장 기준으로 점점 더 %가 높아지게 된다. 이는 고휘발성일 경우 휘발에 의해 실리콘 융액표면과 실리콘 융액 표면 기준 일정 아래부분의 과냉각 영역 확보가 용이하지 않기 때문이다.

실시예에 의하면 고농도의 경우 적어도 10%이상 최소 50%이하로 저농도에 비해 고농도의 온도 감소해야 다결정화를 방지할 수 있다.

실시예에 의하면 고휘발성의 저융점 도펀트의 주입에 따른 응고계면의 제어를 단결정 성장의 각 공정 중 온도적인 측면 또는 단결정 성장 속도적인 측면에서 제어할 수 있는 단결정 성장방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.

Claims (9)

1. 실리콘 융액(melt)을 형성하는 단계 및 상기 실리콘 융액에 실리콘보다 융점이 낮은 도펀트를 주입하는 단계를 포함하는 단결정 성장방법에 있어서,
   상기 도펀트가 주입된 실리콘 융액에 대해 숄더공정을 진행함에 있어서, 성장되는 단결정의 숄더 성장온도 또는 인상속도(P/S) 제어를 통해 숄더 성장속도에 대한 가속도가 일정하도록 제어하며,
   상기 도펀트가 주입되지 않는 단결정 숄더공정 단계보다 상기 도펀트가 주입되는 단결정 숄더공정 단계의 공정온도가 낮게 진행하고
   상기 도펀트의 농도가 제1 농도인 경우의 각 단결정 성장단계의 온도감소폭보다, 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 도펀트 농도를 가지는 경우의 각 단결정 성장단계의 온도 감소폭이 더 높은 단결정 성장방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 농도는, 상기 제1 농도의 도펀트가 주입됨에 따라 실리콘 단결정의 비저항이 0.003Ωcm 미만이 되도록 하는 농도인 단결정 성장방법.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제2 농도는, 상기 제2 농도의 도펀트가 주입됨에 따라 실리콘 단결정의 비저항이 0.003Ωcm 이상이 되도록 하는 농도인 단결정 성장방법.
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 도펀트가 주입된 실리콘 융액에 대한 숄더 공정에 있어서,
   상기 도펀트가 주입되지 않는 숄더 공정에 대한 온도의 10%~50%를 감소한 온도에서 상기 도펀트가 주입된 실리콘 용액에 대한 숄더 공정을 진행하는 단결정 성장방법.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 농도인 경우의 숄더 공정에서의 속도 감소폭보다, 상기 제2 농도의 도펀트 농도를 가지는 경우의 숄더 공정의 속도 감소폭이 더 높은 단결정 성장방법.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제2 농도의 도펀트 농도를 가지는 경우의 숄더 공정은 상기 제1 농도인 경우의 숄더 공정에 비해, 숄더 성장공정 전체 시간 중 40% 경과 이후부터 숄더의 성장속도가 제1 농도의 경우보다 더 감소하도록 제어되는 단결정 성장방법.
   
   
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